CN205985741U - 一种可并行消除延时信息的激光混沌系统 - Google Patents
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Abstract
一种可并行消除延时信息的激光混沌系统，第一半导体激光器发出带有信息的第一光信号经过第一显微物镜准直后变为平行光束；经过第一分束镜分为第一平行光束和第二平行光束；第一平行光束经过第二反射镜、偏振控制器、可调衰减器、第三反射镜、第二显微物镜后注入第二半导体激光器中，以将第一半导体激光器发出的第一光信号耦合进第二半导体激光器；第二平行光束经第一反射镜注入到第一测试仪器进行记录和分析；第二半导体激光器发出的第二光信号耦合进第一半导体激光器。所述可并行消除延时信息的激光混沌系统中激光混沌的延时信息可以被有效抑制，延时信息可被抑制到背景噪音水平，以纯物理的方式实现激光混沌的延时信息抑制，成本低廉。
Description
技术领域
本实用新型涉及半导体激光领域，具体涉及一种可并行消除延时信息的激光混沌系统。
背景技术
半导体激光器(Semiconductor Laser，SL)自问世以来，其非线性动力学行为及应用一直受到相关领域学者的广泛关注。特别的，在适当的诱导条件下SL可以输出带宽达数GHz以上的宽带激光混沌信号。目前，这类激光混沌已经在高速远程保密光通信、超高速率随机数获取，高精度混沌雷达等多个领域展现出诱人的应用前景。在保密通信领域，2005年《Nature》报道了在120km商用光通信网络中的激光混沌通信现场实验，实现了1Gbs-1信号的有效隐藏，长距离保密传输和10-7误码率的信号解调，显示了激光混沌在保密通信领域的诱人前景。在超高速率随机数产生方面，2008年《Nature Photonics》报道了基于两组外腔延时反馈半导体激光器(External Cavity Feedback Semiconductor Laser,ECF-SL)系统来获取Gbs-1超高速随机数的方案，表明了基于SL的激光混沌可极大地提高随机数发生器的性能。另外，在混沌雷达方面，基于SL的宽带激光混沌雷达，具有测量精度高、杂波抑制能力强、低截获概率和高抗干扰等显著优势。
然而，为了在SL中产生宽带激光混沌，通常会在SL外引入延时反馈量，目前绝大多数实验报道SL激光混沌系统都基于的ECF-SL方案。而ECF-SL系统的混沌输出通常均包含了明显的延时信息。这种延时信息在混沌保密通信和随机数获取中都是不希望出现的。首先在混沌保密通信系统中，延时信息给窃密者提供一个可能的破解线索，利用先进的混沌分析技术，使混沌系统的重构成为可能。其次在超快随机数应用中，激光混沌的延时信息会给随机数序列引入周期回归特征，从而严重影响随机数的统计性能。因此，为了提高随机数序列的统计性能和确保混沌保密通信系统的安全性，延时信息的消除就显得尤为重要。基于此，2008年A.Uchida等人构建了两组ECF-SL系统，使用逻辑‘异或’(exclusive-OR,XOR)操作来消除信号的周期回归特征。2009年，I.Reidler等人提出利用最低有 效位(LeastSignificant Bits,LSBs)的逻辑运算方法来消除延时信息。2010年I.Kanter等人进一步提出了采用高达15阶的LSBs运算来消除延时信息并提升随机数码率。在上述方案中，都是使用了逻辑运算来消除延时信息。然而，由于电子器件的速率瓶颈，实际制造上述方案所需的超高速逻辑运算器件成本昂贵，逻辑运算的使用也导致该随机数的来源不是纯粹的物理过程，在真随机性方面值得商榷。
发明内容
为解决现有逻辑运算来消除延时信息方法的所需超高速逻辑运算器件成本昂贵，逻辑运算的使用也导致该随机数的来源不是纯粹的物理过程，在真随机性方面值得商榷等问题，本实用新型提出了一种可并行消除延时信息的激光混沌系统。
本实用新型提出的一种可并行消除延时信息的激光混沌系统，其特征在于，包括：
第一半导体激光器、第一显微物镜、第一分束镜、第一反射镜、第一测试仪器、第二反射镜、偏振控制器、可变衰减器、第三反射镜、第二分束镜、第四反射镜、第二测试仪器、第二显微物镜及第二半导体激光器；
其中，所述第一半导体激光器发出带有信息的第一光信号经过所述第一显微物镜准直后变为平行光束；经过所述第一分束镜分为第一平行光束和第二平行光束；所述第一平行光束经过所述第二反射镜、所述偏振控制器、所述可变衰减器、所述第三反射镜、所述第二显微物镜后注入所述第二半导体激光器中，以将所述第一半导体激光器发出的第一光信号耦合进所述第二半导体激光器；所述第二平行光束经所述第一反射镜注入到所述第一测试仪器进行记录和分析；所述第二半导体激光器发出的第二光信号耦合进所述第一半导体激光器。
进一步的，还包括气垫，所述可并行消除延时信息的激光混沌系统的其他设备均设置于所述气垫上。
进一步的，所述偏振控制器为可调节的来使所述第一半导体激光器和第二半导体激光器的偏振状态保持一致的偏振控制器。
进一步的，所述第一半导体激光器和第二半导体激光器的耦合强度为注入光功率和输出光的光功率之间的比值；所述可变衰减器和所述第一半导体激光器和 第二半导体激光器的光功率计为可调节的来使所述第一半导体激光器和第二半导体激光器互耦合的可变衰减器和光功率计。
进一步的，所述第一测试仪器和第二测试仪器的型号为Ando AQ6317C。
进一步的，所述第一半导体激光器、第一显微物镜、第一分束镜、第二分束镜、第二显微物镜及第二半导体激光器相互平行；所述偏振控制器、所述可变衰减器都与所述第一半导体激光器互相垂直；所述第一至第四反射镜与所述第一半导体激光器的夹角为45度或135度。
本实用新型的有益效果为可并行消除延时信息的激光混沌系统中激光混沌的延时信息可以被有效抑制，延时信息可被抑制到背景噪音水平，以纯物理的方式实现激光混沌的延时信息抑制，成本低廉。
附图说明
图1为本实用新型可并行消除延时信息的激光混沌系统一实施方式的系统结构图。
图2为本实用新型可并行消除延时信息的激光混沌系统中的光信号混沌输出图。
图3为本实用新型可并行消除延时信息的激光混沌系统中的光信号混沌时间序列函数图。
图4为本实用新型可并行消除延时信息的激光混沌系统中的光信号混沌输出图。
图5为本实用新型可并行消除延时信息的激光混沌系统的延时信息消除后的混沌时间序列和对应的自相关函数曲线图。
具体实施方式
本实用新型借助两个半导体激光器之间的互耦机制，实现了双路激光混沌信号的延时信息同时消除。利用自相关函数和互信息函数对混沌信号的延时信息进行分析，显示了在合适参数下实现激光混沌信号的延时信息并行消除。
图1为本实用新型可并行消除延时信息的激光混沌系统10一实施方式的系统结构图。图中，10为可并行消除延时信息的激光混沌系统，12为第一半导体激光器，14为第一显微物镜，16为第一分束镜，18为第一反射镜，20为第一测试仪器，22为第二反射镜，24为偏振控制器，26为可变衰减器，28为第三反射 镜，30为第二分束镜，32为第四反射镜，34为第二测试仪器，36为第二显微物镜，38为第二半导体激光器。
请参阅图1，为本实用新型可并行消除延时信息的激光混沌系统一实施方式的系统结构图。在本实施方式中，可并行消除延时信息的激光混沌系统10包括：第一半导体激光器12、第一显微物镜14、第一分束镜16、第一反射镜18、第一测试仪器20、第二反射镜22、偏振控制器24、可变衰减器26、第三反射镜28、第二分束镜30、第四反射镜32、第二测试仪器34、第二显微物镜36及第二半导体激光器38。
第一半导体激光器12发出带有信息的第一光信号经过第一显微物镜14准直后变为平行光束，经过第一分束镜16分为第一平行光束和第二平行光束。第一平行光束经过第二反射镜22、偏振控制器24、可变衰减器26、第三反射镜28、第二显微物镜36后注入第二半导体激光器38中，以将第一半导体激光器12发出的第一光信号耦合进所述第二半导体激光器38。第二平行光束经第一反射镜18注入到第一测试仪器20进行记录和分析。第二半导体激光器38发出的第二光信号耦合进第一半导体激光器12。在本实施例中，相同原理，第二半导体激光器38发出的第二光信号反向耦合进第一半导体激光器12，从而实现了第一半导体激光器12和第二半导体激光器38的延迟互耦合。第一半导体激光器12和第二半导体激光器38的部分输出光信号经过第一和第二分束镜后，最终注入到第一和第二测试仪器中进行记录和分析。
在本实施方式中，第一半导体激光器12、第一显微物镜14、第一分束镜16、第二分束镜30、第二显微物镜36及第二半导体激光器38相互平行。偏振控制器24、可变衰减器26都与第一半导体激光器12互相垂直。第一至第四反射镜与第一半导体激光器12的夹角为45度或135度。
在本实施例中，可并行消除延时信息的激光混沌系统10还包括气垫(未标注)，可并行消除延时信息的激光混沌系统10的其他设备均设置于气垫上，防止环境振动带来的影响。通过调节偏振控制器24来使第一半导体激光器12和第二半导体激光器38的偏振状态保持一致。第一半导体激光器12和第二半导体激光器38的耦合强度为注入光功率和输出光的光功率之间的比值，通过调节可变衰减器和第一半导体激光器12和第二半导体激光器38的光功率计。通过调节第一 半导体激光器12和第二半导体激光器38的耦合强度和温度值，使第一半导体激光器12和第二半导体激光器38互耦合。
在本实施例中，第一测试仪器20和第二测试仪器34的型号为Ando AQ6317C。
请参阅图2，为可并行消除延时信息的激光混沌系统10中的光信号混沌输出图。图2给出了基于方程组1数值计算得到的激光混沌时间序列及其对应的自相关函数曲线，其中图2中的a1图和图2中的b1图为γ＝0.425时的结果，从中可见该波形随时间的演化十分复杂多变，显示了此时系统处于复杂的混沌状态中。进一步的，图2中的a2图和图2中的b2图为图2中的a1图和图2中的b1图对应的自相关函数曲线，从该曲线可见，在时延为Δt＝±2τ＝±8ns处有明显的尖峰，显示了混沌信号所包含的延时信息。由于第一半导体激光器12和第二半导体激光器38中的对称性，图2中的a2图和图2中的b2图的自相关函数曲线表现出了相似强度的延时信息。而图2中的c1图和图2中的d1图为调节γ＝0.059的结果，可见时间序列的演化仍然复杂多变。而自相关曲线图2中的c2图和图2中的d2图在时延为Δt＝±2τ＝±8ns处却没有明显的尖峰，导致自相关函数曲线呈现出了δ函数的形貌。这些结果表明第一半导体激光器12和第二半导体激光器38混沌波形的延时信息得到了显著地抑制。而且，第一半导体激光器12和第二半导体激光器38输出的两组混沌信号的延时信息均得到抑制，显示了可并行消除延时信息的激光混沌系统10实现延时信息的并行消除的理论可能性。
请参阅图3，为本实用新型可并行消除延时信息的激光混沌系统10中的光信号混沌时间序列函数图。从这些曲线可以看出，互信息函数显示出与自相关函数相似的结果。当混沌时间序列包含延时信息时，互信息曲线在Δt＝2τ＝8ns处有明显的尖峰(如图3中的a1图和图3中的a2图所示)。而当延时信息得到有效抑制后，互信息函数曲线随时延Δt的增加很快衰减到零值附近，而没有尖峰出现(如图3中的b1图和图3中的b2图所示)。
请参阅图4，为本实用新型可并行消除延时信息的激光混沌系统10中的光信号混沌输出图。图5给出了实验测量得到的可并行消除延时信息的激光混沌系统10同时输出的两组激光混沌时间序列和对应的自相关函数分析。此时装置的耦合强度κ≈0.089。首先，从图5中的a1图和图5中的b1图中可以看出，混 沌时间序列在亚纳秒时间尺度快速而复杂地变化，从波形上很难直接看出系统的动力学特征。图5中的a2图和图5中的b2图给出了混沌信号对应的自相关函数曲线，从中可见，混沌信号在Δt≈±53.5ns处有明显的延时信息峰，显示了测量得到的激光混沌信号其实包含了强烈的延时信息。由于实验装置器件尺寸的限制，实验装置的耦合延时量τ比理论计算中的τ取值要大，但是图5的实验测量结果显示了与图2的数值模拟结果良好的相似可比性。需要说明的是，结合理论模型，延时信息峰出现在时延Δt＝±2τ处。因此图5中的a2图和图5中的b2图显示了此时可并行消除延时信息的激光混沌系统10的延时信息量约为26.75ns。这在混沌保密通信等实际应用中，该延时信息量为可能的窃密者提供关键的动力学参量值，从而对保密通信的安全构成了威胁。
请参阅图5，本实用新型可并行消除延时信息的激光混沌系统10的延时信息消除后的混沌时间序列和对应的自相关函数曲线图。图5为实验测得的延时信息消除后的混沌时间序列和对应的自相关函数曲线。此时装置的耦合强度κ≈0.006。从图中可以看出，图5中的a1图和图5中的b1图的混沌时间序列演化复杂多变，显示了第一半导体激光器12和第二半导体激光器38均处于混沌态中。而对应的自相关函数曲线图5中的a2图和图5中的b2图在时延Δt＝±2τ＝±53.5ns处有没有可观察的尖峰，导致该曲线呈现出几乎完美的δ函数形貌。表明延时信息被成功地抑制到了背景噪音水平。
本实用新型的可并行消除延时信息的激光混沌系统10的具体实施，可能涉及到使用软件，但所使用的软件均是本领域技术人员最常用的软件，并且，并非本专利申请权利要求所要保护的范围。
本实用新型的有益效果为可并行消除延时信息的激光混沌系统10中激光混沌的延时信息可以被有效抑制，延时信息可被抑制到背景噪音水平，以纯物理的方式实现激光混沌的延时信息抑制，成本低廉。
以上仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种可并行消除延时信息的激光混沌系统，其特征在于，包括：
第一半导体激光器、第一显微物镜、第一分束镜、第一反射镜、第一测试仪器、第二反射镜、偏振控制器、可变衰减器、第三反射镜、第二分束镜、第四反射镜、第二测试仪器、第二显微物镜及第二半导体激光器；
其中，所述第一半导体激光器发出带有信息的第一光信号经过所述第一显微物镜准直后变为平行光束；经过所述第一分束镜分为第一平行光束和第二平行光束；所述第一平行光束经过所述第二反射镜、所述偏振控制器、所述可变衰减器、所述第三反射镜、所述第二显微物镜后注入所述第二半导体激光器中，以将所述第一半导体激光器发出的第一光信号耦合进所述第二半导体激光器；所述第二平行光束经所述第一反射镜注入到所述第一测试仪器进行记录和分析；所述第二半导体激光器发出的第二光信号耦合进所述第一半导体激光器。
2.如权利要求1所述的可并行消除延时信息的激光混沌系统，其特征在于，还包括气垫，所述可并行消除延时信息的激光混沌系统的其他设备均设置于所述气垫上。
3.如权利要求1所述的可并行消除延时信息的激光混沌系统，其特征在于，所述偏振控制器为可调节的来使所述第一半导体激光器和第二半导体激光器的偏振状态保持一致的偏振控制器。
4.如权利要求1所述的可并行消除延时信息的激光混沌系统，其特征在于，所述第一半导体激光器和第二半导体激光器的耦合强度为注入光功率和输出光的光功率之间的比值；所述可变衰减器和所述第一半导体激光器和第二半导体激光器的光功率计为可调节的来使所述第一半导体激光器和第二半导体激光器互耦合的可变衰减器和光功率计。
5.如权利要求1所述的可并行消除延时信息的激光混沌系统，其特征在于，所述第一测试仪器和第二测试仪器的型号为Ando AQ6317C。
6.如权利要求1所述的可并行消除延时信息的激光混沌系统，其特征在于，所述第一半导体激光器、第一显微物镜、第一分束镜、第二分束镜、第二显微物镜及第二半导体激光器相互平行；所述偏振控制器、所述可变衰减器都与所述第一半导体激光器互相垂直；所述第一至第四反射镜与所述第一半导体激光器的夹角为45度或135度。
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